半密闭空间油气爆炸初期火焰特性研究*

欧益宏，李　润，袁广强，李国庆,王世茂

(陆军勤务学院 油料系，重庆 401311)

0　引言

油料在生产、储存和运输过程中不可避免地挥发、泄漏形成油气，一旦产生爆炸，将会严重破坏人员生命财产安全[1-3]。以往有学者针对油气着火爆炸特性进行了研究，但是大部分的研究都是在密闭空间内进行，杜扬、钱海兵、欧益宏等人[4-6]均对受限空间油气着火爆炸初期模式进行了实验研究，发现油气着火爆炸初期模式主要有燃烧、爆炸和爆燃，其中，爆燃又可分为爆燃后持续燃烧和爆燃后窒息灭火；程顺国、陈汉林、蒋新生等人[7-9]分别对受限空间油气着火爆炸的压力发展历程进行了研究，结果表明，压力发展呈现明显的4个阶段。但在日常生产、生活中，油气并不总是聚集在密闭空间里，也可能聚集在管沟，泄压管道，呼吸管路等半密闭空间里。油气在这类半封闭空间内发生爆炸之后，其爆炸超压和火焰传播特性和密闭空间有较大差异，针对半密闭空间着火燃烧爆炸，王世茂等[10]研究了局部开口空间内外场火焰以及超压特性，发现内场有2个超压峰值，而外场只有1个；欧益宏等[11]对置障条件下半密闭空间油气着火爆炸进行了实验以及数值模拟，发现障碍物的存在会对火焰结构以及超压峰值产生一定影响。然而，研究者大多只针对火焰传播速度，超压峰值等数据的测量，对于油气爆炸初期火焰形态，火焰特征与油气体积分数的关系仍须进行更深入的研究。基于此，本文对半密闭空间内部不同油气体积分数油气着火爆炸初期火焰特性进行了研究，通过高速摄影等技术手段对爆炸过程中火焰形态进行了捕捉，并分析了不同油气体积分数下爆炸初期火焰着火模式、传播过程、火焰浮力稳定性的变化规律，以期为该类空间爆炸事故防抑爆提供理论参考。

1　实验系统与方法

1.1　实验系统

实验系统如图1所示，主要采用文献[11]的实验系统，容器由全透明有机玻璃制成，内部无障碍物，为避免阳光对实验图像的干扰，实验在暗室下进行。

图1　实验系统与容器结构Fig.1　Experiment system and container structure

1.2　实验方法

实验容器截面尺寸为200 mm×200 mm，高200 mm,初始温度为20℃，初始压力为0.1 MPa，采用不同浓度的油气进行实验，每次实验前对实验系统进行校核，确保测量误差合理。利用配气系统进行配气，同时用碳氢分析仪实时监测油气体积分数，当油气体积分数达到要求时，停止配气。接着启动同步控制器，使点火系统(点火能量为1.6 J)、高速摄影仪(拍摄速率500帧/s)同步触发，对火焰图像进行采集。最后关闭实验仪器，分析数据。

由已有研究可知，常规条件下油气爆炸极限体积分数为0.9%～3.2%。因此，本文对体积分数范围为1.0%～3.1%的油气进行了着火爆炸试验，步长为0.1%，共22组，同时对1.0%，1.7%，2.4%和3.1%共4种典型油气体积分数的实验现象进行分析，为确保实验准确性，进行重复实验3次,取数据平均值进行分析。

2　结果与讨论

2.1　油气体积分数对火焰传播形态的影响

图2为不同初始油气体积分数火焰时序图。由图2可以看到，油气体积分数为1.0%时，油气被电火花点燃后火焰逐渐发展并产生浮力效应[12]，随后形状变成近似柱形向上传播，直到最后火焰向容器底部发展，火焰阵面下缘逐渐变平，直至熄灭。油气体积分数为1.7%和2.6%时，火焰均经历了由半球形到指尖型的转变，并保持指尖形传播至容器口，在燃烧过程中，火焰均出现明显的分区现象，可分为燃烧核和火焰阵面[13]。油气体积分数为3.1%时，火焰阵面初始为半球形，随后受到浮力效应的影响，火焰向上漂移并变成球形，随后火焰呈现不规则锋面结构直到火焰充满整个容器。

随着油气体积分数的增加，油气着火爆炸的颜色也出现淡蓝色—深蓝色—蓝绿色—红黄色的改变，同时，不同油气体积分数的着火模式也有所不同，低油气体积分数下(1.1%以下)，油气着火模式为燃烧；高油气体积分数下(2.6%至爆炸极限上限)，油气着火模式为爆燃后持续燃烧；处于中间油气体积分数(1.1%至2.6%)的着火模式则为爆炸。可以看到，低油气体积分数下，氧气含量充足，油气含量相对较少，油气着火反应后，火焰向四周传播速度相同，因此火焰锋面较为光滑，此时反应较为缓慢，着火模式为燃烧。高油气体积分数条件下，氧气含量严重不足，此时更容易发生析碳反应[14]：CmH2n→mC+nH2，反应不完全。同时，由于氧气不足，未完全反应产生的高能活性基团迅速向四周扩散并与其他区域氧气反应，形成红黄色絮状火焰。由于存在大量中间产物，破膜后与外界空气接触后持续反应，着火模式为爆燃后持续燃烧，处于中间油气体积分数时，油气体积分数在化学当量比[15]附近，反应剧烈，由于强湍流作用的影响火焰表面出现褶皱，此时着火模式为爆炸。

通过对着火爆炸总时间、火焰图像的综合分析，可以得到不同油气体积分数下的着火模式[16]，结果如表1所示。从表1可以看出，不同油气体积分数的着火模式有燃烧、爆炸和爆燃后持续燃烧3种。低油气体积分数下(接近爆炸极限下限)，油气着火模式为燃烧；高油气体积分数下(接近爆炸极限上限)，油气着火模式为爆燃后持续燃烧；处于中间油气体积分数的着火模式是爆炸。其中燃烧和爆炸的分界在1.1%～1.2%之间；爆炸和爆燃后持续燃烧的分界在2.5%～2.6%之间。

2.2　油气体积分数对火焰传播速度的影响

由不同时刻的纵向和横向火焰阵面位置可以得到不同时刻的纵向和横向火焰阵面速度Ut，计算公式为:

Ut=(xn+1-xn)/Δtn

(1)

式中：xn+1-xn为选取的2幅高速摄影照片中火焰阵面的距离差；Δtn为2幅照片的时间差，本文中取2 ms。计算结果如图3所示。

从图3(a)中得到，4种油气体积分数纵向火焰阵面速度均先减小后上升。油气体积分数为1.7%和2.4%的火焰阵面速度短时减小后立即上升。原因是油气体积分数在化学当量比附近，点火初期纵向火焰阵面速度下降后，化学反应速率加快，燃烧产物膨胀，火焰面积迅速增大，导致纵向火焰阵面速度上升。随后薄膜破裂，在内外压差和泄爆诱导流动的作用下，纵向火焰阵面速度进一步上升，直至传播到容器口，形成射流火焰。油气体积分数为1.0%和3.1%的火焰阵面速度减小后稳定一段时间，然后再上升。原因是油气体积分数在爆炸上下限附近，点火初期纵向火焰阵面速度下降后，油气反应不完全，燃烧产物和释放的热量较少，热量大部分散失给过量空气或过量油气，造成火焰传播速度较低，纵向火焰阵面速度小于1 m/s。170 ms后薄膜破裂，在内外压差和泄爆诱导流动作用下，纵向火焰阵面速度上升。破膜前不同油气体积分数的纵向火焰阵面速度差别很大，油气体积分数为1.7%的最大纵向火焰阵面速度为11.67 m/s，是油气体积分数为1.0%的最大纵向火焰阵面速度的2.85倍。

从图3(b)中得出，4种油气体积分数横向火焰阵面速度均先降低后趋于稳定。原因是横向火焰阵面速度开始下降后，由于侧壁限制，压力波反射抑制了横向火焰阵面，使横向火焰阵面速度保持稳定。不同油气体积分数的横向火焰阵面速度差别很大，油气浓度2.4%的最大横向火焰阵面速度为6.59 m/s，是油气体积分数1.0%的最大横向火焰阵面速度的8.04倍。

结合图3(a)和图3(b)可以得到，相同时间相同油气体积分数纵向火焰阵面速度要大于横向火焰阵面速度，并且随着油气体积分数增大，火焰阵面速度先变大后变小。油气体积分数Φ分别为1.0%，1.7%，2.4%和3.1%时，其对应的最大纵向火焰阵面速度分别是最大横向火焰阵面速度的4.99倍、2.83倍、1.74倍和2.73倍。

2.3　油气体积分数对火焰浮力稳定性的影响

浮力不稳定作用机制如图4所示。火焰燃烧时，由于火焰面附近温度迅速上升而产生温度梯度，进而形成密度梯度，从而产生浮力效应。在浮力的影响下，密度小的已燃气体会向密度大的未燃气体漂移。浮力对火焰的影响主要体现在2个方面，一方面在浮力的作用下燃烧产物膨胀会导致预混气体流线向外偏折；另一方面，由于浮力而引起的反应产物上升对火焰各部分拉伸率的影响不一样，进而对火焰传播速度和火焰面褶皱产生影响。当火焰传播速度很小时，有时间来响应浮力的作用。可燃气体的着火爆炸过程中，始终存在浮力的影响，只是火焰传播速度较大时，浮力不稳定性可以忽略不计。当在爆炸上下限附近点火时，由于反应不充分，燃烧产物和释放的热量较少，造成火焰传播速度很低，浮力对火焰传播的影响显著。

图4　浮力不稳定示意Fig.4　Schematic diagram of buoyancy instability

浮力对火焰的影响可以用弗劳德数表示，弗劳德数是表征惯性力与重力的无量纲数，当弗劳德数小于1时，浮力对火焰的影响显著；当弗劳德数大于1时，浮力对火焰的影响微弱，弗劳德数Fr计算公式为：

(2)

式中：v为火焰阵面传播速度，m/s；g为重力加速度，m/s2；L为容器特征长度，m，此处为容器纵截面的边长，本文L值为0.2 m。

根据公式(2)和不同油气体积分数在不同时刻的纵向火焰阵面速度，可以得到不同油气体积分数在不同时刻的Fr数，探讨不同油气体积分数下浮力对火焰稳定性的影响，结果如图5所示。

图5　不同油气体积分数下的Fr数Fig.5　The Fr numbers of different gasoline-air volume fractions

由图5可知，不同油气体积分数的Fr数均先减小后增大，原因是不同油气体积分数的纵向火焰速度先减小后上升。开始时，高压电火花将能量快速传递给油气，使油气速度短时增大，导致Fr数较高。由于电火花持续时间短，能量传递有限，火焰速度快速下降，导致Fr数迅速减小。随后不同油气体积分数的Fr数变化明显不同，说明浮力对不同油气体积分数火焰稳定性的影响不同。油气体积分数为1.0%和3.1%时，在破膜前的纵向火焰速度小于1.4 m/s，火焰传播缓慢，Fr数均小于1，此时火焰阵面的稳定性主要受浮力的影响。油气体积分数为1.7%和2.4%时，在破膜前的纵向火焰速度较大，火焰速度快速上升，Fr数大于1并且呈指数增长，最大值分别为69.37和67.12，此时火焰阵面的稳定性受浮力影响较小，可以忽略不计。

结合火焰图像、着火模式和Fr数可知，低于油气化学当量比很大时的着火模式为燃烧，高于油气化学当量比很大时的着火模式为爆燃后持续燃烧。这两种着火模式处于大幅度贫燃或富燃情况下，火焰上部向上飘起，火焰下部保持停滞甚至向内凹进而形成郁金香形火焰结构。同时燃烧产物和释放的热量较少，火焰传播速度慢，Fr数小，火焰阵面稳定性受浮力影响显著。因此当油气体积分数小于等于1.1% 或大于等于2.6%时，火焰传播的稳定性主要受浮力的影响。

当油气体积分数得值在1.1%～2.6%范围时，Fr数较大，惯性力对火焰传播起主导作用，则可以忽略浮力对火焰稳定性的影响。

3　结论

1)随着油气体积分数的增加，油气着火爆炸的颜色出现淡蓝色—深蓝色—蓝绿色—红黄色的改变，同时油气体积分数是决定着火模式的关键因素，油气体积分数小于等于1.1% 时，着火模式为燃烧；油气体积分数大于等于2.6%时，着火模式为爆燃后持续燃烧；油气体积分数在1.1% 和 2.6%之间时，着火模式为爆炸。

2)不同着火模式的火焰传播过程差异显著，着火模式为爆炸的火焰具有明显的分区现象，可分为燃烧核和火焰阵面，着火模式为燃烧和爆燃后持续燃烧的火焰没有明显的分区现象。从反应总时间来看，爆炸时间最短，燃烧次之，爆燃后持续燃烧最长。

3)同一时刻，随着油气体积分数的增加，纵向和横向火焰阵面位置先变大后变小，纵向和横向火焰阵面速度也先变大后变小，越靠近化学当量比，纵向和横向火焰阵面速度越大。同一油气体积分数，纵向火焰阵面速度先减小后上升，横向焰阵面速度先降低后趋于稳定。

4)油气体积分数小于等于1.1% 或大于等于2.6%时，火焰稳定性主要受浮力影响。油气体积分数在1.1% 和 2.6%之间时，火焰定性则不受浮力影响。

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